矿井低温余热综合利用技术研究与应用
时间：2022-12-10 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 清洁利用 ★
矿井低温余热综合利用技术研究与应用
我国煤炭企业既是能源生产企业也是高耗能企业，煤炭在生产过程中有80%的能耗是电力消耗，煤炭企业用能种类繁多、体量大、季节差异明显。其中空压机、提升装备、锅炉和排水泵等装备是煤矿中能耗较大、节能潜力较大的高耗能装备，且存在耗电量大、运行费用高、运行故障率高、极端天气供热效果难以保证等问题[1-3]。由于煤矿井下安全作业需要不间断地通入新鲜空气，以保证井下工作人员正常呼吸以及生产设备的正常运行，空气流经地下巷道与岩壁发生热湿交换，同时井下的采、掘、运输等机械设备不间断地运转也释放出较大热量，因此矿井回风蕴藏着巨大的可利用的且风量稳定的低品位热能[4-6]。因此，各煤炭企业均在积极地降低非生产环节的能耗，改变用能结构，对资源综合利用等技术开展多方面的研究，以实现企业的节能减排与绿色生产[7]。近年来，随着国家和地方环保政策要求的逐渐提高，很多煤炭企业原有的燃煤锅炉逐步被淘汰，这就给乏风余热利用技术的应用创造了条件。乏风余热技术的发展减少了企业燃煤带来的消耗成本，可助力我国节能减排事业的发展[8-9]。
一般矿井乏风余热利用技术主要包括直接利用技术和热泵提热技术，直接利用技术具有热能提取量小的特点，比较适用于中低温余热回收项目，投资和运行费用较低；热泵提热技术具有循环回路多、装机功率大、电能消耗较大、热能回收多的特点，但热泵系统较为复杂，初期投资和运行管理费用相对较高，比较适用于场地较大且资金充裕的项目[10-12]。基于此，笔者以安阳煤矿为例，对安阳煤矿原有的供暖方案进行了技术改进，研究了生产矿井逆流直接换热式回风加热新风技术(乏风直接利用技术)和空压机余热回收技术的实际应用情况，目的是发挥回风余热资源潜能最大化，解决安阳公司供暖、节能增效等问题，为相关煤矿开展节能减排降耗提供参考。
1 项目概况
近年来，我国煤炭企业均在积极探索降低非生产环节能耗的措施，而安阳煤矿在供热系统的总装机功率达到5 567 kW，生产能力为120万t/a，采暖期电锅炉采暖折算吨煤电耗约14 kW·h，存在耗电量大、运行费用高、运行故障率高、极端天气供热效果难以保证等问题。因此陕西澄合合阳煤炭开发有限责任公司按照地方锅炉大气污染物排放标准等相关文件的要求，在工业场地停用了原燃煤锅炉改用电磁锅炉以满足井筒防冻和地面工业建筑采暖。
经综合考虑后，决定在安阳煤矿实施余热综合利用改造项目，通过逆流直换技术和空压机余热技术对矿井回风和空压机余热资源加以利用，以实现井筒防冻和洗浴水加热这2个目标，从而提高矿产资源的利用率。
1.1 项目实施前的井筒防冻与洗浴水加热简介
安阳煤矿位于陕西省合阳县金水沟，气候条件为冬夏季长、春秋季短。夏季气温较高，炎热而干旱；冬季严寒，气温低且雪雨少。由于北方冬季干冷且井筒易结冰，安阳煤矿目前采用电磁锅炉加热的方式来保证室外温度低于-7 ℃时，井筒不低于2 ℃且不出现短暂结冰现象。为防止井筒结冰进而影响安全生产，在新建锅炉房中放置了4台额定加热功率为800 kW的电磁锅炉、副井口放置了2台空气加热机组，运行期间“一用一备”，主井设置了2台空气加热机组，实际未运行。主井井口房依靠带式输头机机头电机散热采暖，进风未加热。电磁锅炉生产蒸汽，通过蒸汽管道将蒸汽运送至副井口，经井口加热器加热后，由风机吹出热风在井口房与室外空气混合后进入井筒，以达到井筒保温效果。
矿区内原洗浴热水加热由新加装的20台额定制热量为38 kW的空气源热泵提供。空气源热泵按照逆卡诺原理工作，即在空气中获得超低温热源，吸收空气中的热量经系统高效转化后变成高温热源用来加热水温，但在极寒天气中空气源热泵效果较差、运行费用高、冷凝器易结垢。
1.2 安阳煤矿余热资源分析
1.2.1 可利用的余热资源分析
(1)矿井乏风余热计算。矿井乏风的温度和湿度不受室外气温影响并且全年比较恒定，风量为6 400 m3/min(106.70 m3/s)，乏风温度为18 ℃，相对湿度为90%。矿井乏风可提取余热测算见式(1)：
Q1=ρ×v×(h2-h1)
(1)
式中：Q1——可从乏风中提取的热量，kW；
ρ——空气密度，kg/m3；
v——乏风量，m3/s；
h2——温度为18 ℃，相应湿度为90%时空气的焓，kJ/kg；
h1——温度为2 ℃，相应湿度为95%时空气的焓，kJ/kg。
安阳煤矿矿井中的空气密度为1.23 kg/m3、乏风量为106.7 m3/s、温度为18 ℃且相应湿度为90%时空气的焓取47.54 kJ/kg、温度为2 ℃且相应湿度为95%时空气的焓取12.39 kJ/kg来计算，矿井乏风可提取热量为4 613.10 kW。
(2)空气压缩机余热计算。本矿井主场地目前已经建设4台40 m3/min螺杆式空压机，单台功率为250 kW，空气压缩机负荷率和空气压缩机余热回收效率均为85%，按照正常开启1台计算，可从空气压缩机中提取的余热测算见式(2)：
Q2=N×η1×η2
(2)
式中：Q2——可从空气压缩机中提取的热量，kW；
N——空气压缩机轴功率，kW；
η1——空气压缩机负荷率， %；
η2——空气压缩机余热回收效率， %。
按照式(2)计算，可从空气压缩机中提取的热量为180.63 kW。
1.2.2 热需求分析
(1)井筒防冻所需热负荷计算。根据矿方提供的数据，副井风井的进风量为4 300 m3/min，根据《煤炭工业矿井设计规范》(GB50215-2015)要求，井筒防冻热负荷计算温度是按照冬季极端最低温度的平均值-13 ℃进行计算，井筒防冻所需热负荷测算见式(3)：
Q3=G×ρ×Cp×(Th-Tw)
(3)
式中：Q3——井筒防冻所需热负荷，kW；
G——矿井进风量，m3/s；
ρ——空气密度，kg/m3；
Cp——空气定压比热容；
Th——冷、热空气混合后的温度， ℃；
Tw——冬季极端最低温度， ℃。
安阳煤矿矿井进风量为71.70 m3/s、空气密度为1.28 kg/m3、空气定压比热容为1.01 kJ/(kg·℃)、冷、热空气混合后的温度2 ℃以及冬季极端最低温度为-13 ℃来计算，井筒防冻所需热负荷为1 390.40 kW。
(2)洗浴所需热负荷计算。根据矿方提供的数据，按照1 000人次/d的洗浴人数统计，本次方案按照每人用水量100 L且平均用热水量100 t/d计算，洗浴热水所需热负荷测算见式(4)：
Q4=cm(T2-T1)
(4)
式中：Q4——洗浴水所需热负荷，kW；
c——水的比热容，J/(kg·℃)；
m——水的流量，kg/s；
T2——加热至洗浴水温度， ℃；
T1——进水温度， ℃。
按照水的比热容为4 200 J/(kg·℃)、冬季进水温度15 ℃、制取45 ℃热水、加热时间20 h不间断加热计算，洗浴水所需热负荷为174.4 kW。
1.2.3 余热利用结论
通过分析计算，矿井乏风及空压机可提供的余热总量为4 793.73 kW，实际需要的热负荷为1 564.80 kW，完全可以满足用热需求。矿井乏风的热量稳定，可以采用逆流直接换热技术以满足井筒保温防冻需求；空压机的余热品质较高，可以采用空压机余热回收技术满足洗浴热水加热需求。热负荷需求量与矿井余热量见表1。
表1 热负荷需求量与矿井余热量
热需求热负荷/kW余热资源余热量/kW井筒防冻1 390.40矿乏回风4 613.10洗浴热水174.40压风机180.63
2 技术原理
2.1 逆流直接换热技术
井筒防冻技术方案主要是利用逆流直接换热技术，矿井乏风通过风道进入布置有高效导热纳米金属合金材料的热量直接换热器，与逆流进入换热器的新风进行高效热交换，以实现用矿井余热加热新风的目标。加热后的新风被风道导入至井口处，实现井口防冻的效果，逆流间壁式换热技术原理如图1所示。
图1 逆流间壁式换热技术原理
逆流直接换热技术带有的纳米涂层高效热传导材料通过合理的逆流结构设计实现高效热传导，换热单元结构示意如图2所示。
图2 换热单元结构示意
逆流直接换热技术按照工作过程可划分为3个部分，即回风对流换热、带纳米涂层的合金内部导热和新风对流换热。逆流直接换热技术的特点是通过高效热传导实现热量转移，矿井乏风进入逆流直接换热器，回风热量直接传给新风，新风进入换热器接触到金属侧壁面受热后直接送入井口，由于进风井和回风井距离受限，因此送风温度不高于回风温度。另外还需定期(每年)清洗回风侧换热器附着物，效率衰减控制在5%以内。逆流直接换热系统拥有结构简单、运行成本低、维护便捷、使用寿命较长的特点。
2.2 空压机余热回收技术
洗浴热水加热是利用空压机余热技术，将矿井中空气压缩机油站的热量通过热回收装置与循环水进行热交换以达到加热洗浴水的目的。空压机余热高效热能回收装置中的换热器材质为不锈钢板，换热管为弹簧盘管式，水流的冲刷作用使换热管自由伸缩胀缩，不易结水垢。在长期使用过程中，通过换热管的膨胀可自动脱垢，换热效率不变。空压机余热换热技术原理如图3所示。
图3 空压机余热换热技术原理
空压机余热技术换热方式为压缩机油-中间循环水-洗浴热水，通过中间循环水与85 ℃的压缩机油换热，吸收压缩机油的热量后进入热水箱下部的加热器，制取45～50 ℃热水用于洗浴热水加热。中间循环水水质的控制对系统内换热效果有直接影响，控制好循环水水质，定期清理水箱下部换热器，效率无衰减。空压机热回收技术优点是运行成本极低，热水温度保证较高，加热无运转部件，使用寿命长。
3 项目运行效果分析
安阳煤矿余热综合利用项目自2022年1月正式投入运行以来换热效果显著，该项目可以稳定满足井口房混风温度不低于2 ℃的要求，还可以满足厂区职工的洗浴需求。笔者选取了2022年2-3月30 d的井下乏风和新风每日12时和24时入口-出口的温度数据，乏风入口-出口温度曲线如图4所示，新风入口-出口温度曲线如图5所示，井口温度曲线如图6所示，洗浴水温度曲线如图7所示。
图4 乏风入口-出口温度曲线
图5 新风入口-出口温度曲线
由图4和图5可以看出，随着冬季白天气温回升，乏风出入口温度、新风出入口温度随之升高，且午时温度均高于凌晨温度。井下乏风在通过风道进入换热器后，将热能通过换热器交换给了同样到达换热器的新风，使新风温度升高，送向井口实现井口保温防冻效果。乏风通过换热器后，温度平均降低了5 ℃；新风通过逆流直换技术被加热，寒冷天气升温效果显著，可达20 ℃。
图6 井口温度曲线
由图6可以看出，被加热后的新风通过风道送至井口，井口保温防冻效果显著，项目运行1个月中，当地处于冬季天气寒冷，井口温度始终不低于9 ℃，防冻保温效果非常显著，使得矿井可以稳定满足井口房混风温度不低于2 ℃的要求。
图7 洗浴水温度曲线
由图7可以看出，矿区职工洗浴水箱通过空压机油站油温余热加热，水箱温度维持在45 ℃左右，说明通过此项目的实施，厂区职工洗浴需求得以满足，且每日午时洗浴水箱温度略大于凌晨。
4 效益分析
煤炭企业的经济效益与煤质和开采条件直接相关，安阳煤矿的煤质和煤炭赋存条件相对较差，企业经营压力较大。安阳煤矿余热综合利用项目改造实施后，井筒保温采暖和洗浴热水加热这2项的吨煤能耗显著下降，成功地解决了安阳煤矿供暖和企业节能降耗的问题，取得了良好的社会效益和经济效益。
4.1 社会效益
安阳煤矿余热综合利用项目通过对安阳煤矿原有的供热方案进行改进，利用逆流直接换热技术及空压机余热技术代替传统燃煤锅炉和空气源热泵以减少能耗，成功解决了井筒防冻和洗浴热水问题。项目的改造和实施，使得企业的电耗和煤耗大大降低，还极大改善了矿区的环境状况，减少了乏风气体排放给工人带来的危害，取得了良好的社会效益。
4.2 经济效益
矿井回风热回收系统的初期投资主要包括设备购置费和建设费用。根据已知热负荷和洗浴负荷选定设备并确定初期投资，设备主要包括热交换器、风机、空压机余热回收机组以及其他附属设备等；建设费用主要包括机房土建、安装建设等费用；运行费用主要是指热泵机组和水泵等电费、人工费及维护费，按照使用季节共分为3部分，即冬季采暖电耗、夏季供冷电耗和洗浴电耗。
项目改造前使用“电磁锅炉加热+空气源热泵”的初期投资费用1 800万元，运行费用305万元，总投资费用2 105万元，存在费用较高、运行故障率高、极端天气供热效果不佳的问题。改造后，安阳煤矿余热综合利用项目使用“逆流直换技术+空压机余热技术”的初期投资费用1 222.5万元，运行费用39.75万元，总投资费用1 262.25万元。项目改造后节约运行电费260万元/a，减少耗电量280万kW·h，减少煤耗约为900 t标准煤，减排二氧化碳2 500 t。该改造项目充分利用了矿井回风、空气压缩机低温余热热源，加快推进了矿井余热资源化利用进程，降低了能耗，极大地节约了机房占地面积以及设备的安装和运行成本。
5 结论
(1)笔者以安阳煤矿为工程背景，结合矿区实际情况，综合分析了该煤矿的低品位热能，对安阳煤矿原有供暖方案进行了技术改进。
(2)经实际运营分析，采用的逆流直接换热技术能有效防止井筒冻结，换热结构得到了精简且造价相对较低，中间不经过二次换热，减少了中间换热环节，可以有效降低系统能耗提高换热效率；采用的空压机余热技术能保证矿区内所有工作人员洗浴热水的持续供应，且水温长期保持在45 ℃左右。
(3)本项目改造后可替代原有电磁锅炉、燃煤锅炉加热，降低了能耗，减少了污染物的排放，具有良好的社会效益和经济效益，对西北严寒地区煤矿企业在矿区余热利用的推广应用方面起到一定的理论支持和良好的示范作用。
[1] 向艳蕾，杨允，闫文瑞，等.煤矿回风余热资源利用技术现状与展望[J].煤质技术，2021，36(6):77-83.
[2] 罗景辉，熊楚超，魏莹.煤矿低温余热应用研究[J].煤炭与化工，2019，42(11):96-99.
[3] 曹龙.煤矿余热资源回收利用技术的特点分析[J].陕西煤炭，2021，40(5):26-30.
[4] 杨建辉.浅析煤矿企业余热资源的利用[J].中国新技术新产品，2018，(8):42-43.
[5] 茅靳丰，陈飞，耿世彬.矿井回风资源利用方式探讨[J].矿业安全与环保，2015，42(2):100-103，107.
[6] 曹枭雄.井工煤矿区建筑能耗特性及能源综合利用研究[D].徐州：中国矿业大学，2018.
[7] 张鹏，高晓强.唐家会煤矿矿井水余热利用技术[J].建井技术，2020，41(1):30-33.
[8] 李建光，陈峰雷，蒋正君，等.矿井低焓乏风余热利用技术研究与应用[J].中国煤炭，2015，41(12):120-123，136.
[9] 唐晓梅.矿井乏风余能利用系统及其性能研究[D].太原：太原理工大学，2016.
[10] 刘晓峰.磁窑沟矿井回风换热系统研究与应用[D].邯郸：河北工程大学，2021.
[11] 段泽敏，马素霞，郭千中.矿井余热资源利用技术[J].煤矿安全，2014，45(9):68-71.
[12] 曹龙.矿井余热回收再利用技术在凉水井煤矿的实践与应用[D].西安：西安科技大学，2020.
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